專利名稱：放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及放大器電路，尤其涉及適于使用在射頻并且適于與以低電源電壓使用CMOS制造技術(shù)集成的放大器。該裝置適于使用在手持便攜式射頻裝置中，例如使用在移動(dòng)電話中。
背景技術(shù)：
放大器電路，例如

圖1示出的已知放大器電路，包括以反相器結(jié)構(gòu)12構(gòu)成的CMOS第一晶體管對(duì)16、18，反相輸出20提供到放大器輸出終端22。提供到反相輸入的輸入電壓14根據(jù)晶體管16、18的跨導(dǎo)產(chǎn)生一個(gè)輸出電流。該放大器輸出端還連接到另外兩個(gè)CMOS晶體管24、26的柵極端和漏極端。該輸出電流通過(guò)起電阻作用的晶體管24、26吸取，通過(guò)其漏極的電流取決于其柵極電壓。因此，作為放大器輸出22的柵壓取決于該輸出電流。
結(jié)果是，通過(guò)把該電路的第一對(duì)晶體管設(shè)計(jì)得大于第二對(duì)晶體管，則能夠獲得具有增益大于1的一個(gè)反相放大器。
圖2示出這種電路的一個(gè)小信號(hào)模型，其中晶體管24和26的每一個(gè)由其等效電阻表示。
從輸出端到晶體管16、18每一個(gè)的漏極的電流iT流動(dòng)由下式給出iT＝gm16·Vi+gm18·Vi＝Vi(gm16+gm18)因此，Vo=-1gm24+gm26-Vi(gm16+gm18)]]> 其中Av是電路的電壓增益。通常，裝置被選擇使得gm16＝gm18，并且gm24＝gm26和設(shè)置使得gm16＝K·gm26因此，Av=-gm16gm24=-K]]>其中，gm=2βID,]]>ID是通過(guò)一個(gè)裝置的電流，因此Av=ID16ID24=K]]>晶體管16/18和晶體管24/26之間的電流比例設(shè)置為 對(duì)于低噪聲放大器，存在兩個(gè)尤其要注意的要求。第一，信號(hào)源阻抗最好匹配放大器輸入阻抗，以便提供對(duì)輸出端的最佳功率傳遞。第二，必需具有良好的噪聲系數(shù)，例如2dB或更小。但是，把信號(hào)源阻抗匹配到放大器輸入阻抗至少產(chǎn)生一個(gè)3dB的噪聲系數(shù)，這意味著其不可能產(chǎn)生一個(gè)可接受的噪聲特性。
發(fā)明概要本發(fā)明提供一種放大器電路，其適于集成使用CMOS技術(shù)，并且適于使用在射頻環(huán)境中，同時(shí)提供良好的噪聲指數(shù)性能。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一個(gè)放大器電路，包括一個(gè)電路輸入端，和一個(gè)電路輸出端；一個(gè)反相器，連接在第一和第二電源電壓之間，并且具有連接到該電路輸入端的一個(gè)反相器輸入端，和一個(gè)反相輸出端，并且提供對(duì)應(yīng)于一個(gè)電路輸入電壓的一個(gè)反相器輸出電流；連接到該反相器輸出端和該電路輸出端的一個(gè)第一電阻單元，并且提供對(duì)應(yīng)于該反相器輸出電流的一個(gè)電壓輸出；以及在電路輸出端和該電路輸入端之間提供一個(gè)反饋電阻的一個(gè)第二電阻單元，該反饋電阻可被調(diào)整，使得該放大器的動(dòng)態(tài)輸入阻抗能夠被設(shè)置為任何需要的值。
根據(jù)本發(fā)明另一方面，提供一種放大器電路，包括一個(gè)電路輸入端，和一個(gè)電路輸出端；一個(gè)反相器，連接在第一和第二電源電壓之間、由第一和第二MOS晶體管(16，18)組成，并且具有連接到該電路輸入端的一個(gè)反相器輸入端，和一個(gè)反相器輸出端，并且提供對(duì)應(yīng)于一個(gè)電路輸入電壓的一個(gè)反相器輸出電流；
第一電阻單元，包括至少一個(gè)第三MOS晶體管(24或26)，連接到反相器輸出端和電路輸出端，并且提供對(duì)應(yīng)于反相器輸出電流的電壓輸出；和第二電阻單元，包括至少一個(gè)第四MOS晶體管(30或32)，其漏極和源極端連接在該電路輸出端和輸入端之間，并且其柵極連接到一個(gè)電壓源以便其上加有一個(gè)電壓，使得該第四MOS晶體管工作在其線性區(qū)域中。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種放大器電路，包括一個(gè)電路輸入端，和一個(gè)電路輸出端；一個(gè)反相器，連接在第一和第二電源電壓之間、由第一和第二MOS晶體管(16，18)組成，并且具有連接到該電路輸入端的一個(gè)反相器輸入端和一個(gè)反相器輸出端，并且提供對(duì)應(yīng)于一個(gè)電路輸入電壓的一個(gè)反相器輸出電流；和一個(gè)電阻單元，包括導(dǎo)電類型相反的第三和第四MOS晶體管(30，32)，每一個(gè)都具有連接在電路輸出端和電路輸入端之間的漏源極路徑，并且其柵極連接到一個(gè)各自電壓源，以便其上加有使得其工作在其線性區(qū)域中的一個(gè)電壓。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種放大器電路，包括一個(gè)電路輸入端，和一個(gè)電路輸出端；一個(gè)反相器，由連接在該電路輸出端和一個(gè)第一電源電壓之間、并且具有連接到該電路輸入端的一個(gè)反相輸入端的至少一個(gè)第一MOS晶體管(16或18)組成，以及一個(gè)反相輸出端，并且提供對(duì)應(yīng)于一個(gè)電路輸入電壓的一個(gè)反相器輸出電流；一個(gè)第一電阻的單元，由一個(gè)第二MOS晶體管(24或26)組成，其柵極和漏極連接到該反相器輸出端和該電路輸出端，并且其源極連接到該第一電源電壓，提供對(duì)應(yīng)于該反相器輸出電流的一個(gè)電壓輸出；一個(gè)第二電阻的單元，由第三和第四MOS晶體管(30，32)組成，該第三和第四晶體管的導(dǎo)電類型相反，并且每一晶體管具有連接在該電路輸出端和該電路輸入端之間的漏極-源極路徑，以及其柵極連接到各自的電壓源；和，連接在該電路輸出端和第二電源電壓之間的一個(gè)第三電阻單元。
附圖的簡(jiǎn)要描述為了更好地理解本發(fā)明并且更清晰地示出實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的可能方式，現(xiàn)以實(shí)例的方式參考附圖進(jìn)行描述，其中圖1示出根據(jù)已有技術(shù)的一個(gè)放大器電路；圖2示出圖1電路的一個(gè)小信號(hào)模型；圖3是根據(jù)本發(fā)明第一方面的一個(gè)放大器電路的電路圖；圖4示出圖3電路的一個(gè)小信號(hào)模型；圖5示出圖3電路的輸入電阻；圖6示出用于噪聲分析的圖1的電路形式；圖7示出圖1電路的噪聲；圖8示出圖1電路的噪聲系數(shù)；圖9示出用于噪聲分析的圖3的電路形式；圖10示出圖3電路的噪聲系數(shù)；圖11是根據(jù)本發(fā)明另一方面的一個(gè)放大器電路的電路圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明另一方面的一個(gè)放大器電路的電路圖；圖13是根據(jù)本發(fā)明另一方面的一個(gè)放大器電路的電路圖；本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明圖3示出根據(jù)本發(fā)明的一種放大器電路。
該電路的基礎(chǔ)是涉及圖1的如上所述的已知類型的放大器10，其包括一個(gè)反相器12。電路輸入端14連接到第一PMOS晶體管16和第二NMOS晶體管18的柵極端。該P(yáng)MOS晶體管16的源極端連接到正電源電壓Vdd，而其漏極端連接到一個(gè)反相器輸出端20。該NMOS晶體管18的源極端連接到負(fù)電源電壓Vss，而其漏極端連接到一個(gè)反相器輸出端20。
反相器輸出端20還連接到該電路輸出端22。一個(gè)第三PMOS晶體管24的源極端連接到正電源電壓Vdd，而其柵極和漏極端連接到該反相器輸出端20。一個(gè)第四NMOS晶體管26的源極端連接到負(fù)電源電壓Vss，而其柵極和漏極端連接到反向器輸出端20。
因此，加在輸入端14的一個(gè)輸入電壓在反相器輸出端20產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電流，其大小取決于該第一和第二晶體管16、18的跨導(dǎo)。
相反，第三和第四晶體管24、26的漏極中的電流取決于這兩個(gè)晶體管的柵壓。因此，這些晶體管的柵壓，同樣也是該輸出端22處的電路輸出電壓采用產(chǎn)生該所需電流的一個(gè)值。
如果第三和第四晶體管24、26與第一和第二晶體管16、18匹配，則該第三和第四晶體管的柵壓(即該電路的輸出電壓)等于該第一和第二晶體管的柵壓(即該電路的輸入電壓)并且該放大器電路10以單位增益反相該輸入電壓。
相反，如果該第三和第四晶體管24、26小于第一和第二晶體管16、18一個(gè)特定因數(shù)，則該第三和第四晶體管中的電流相當(dāng)?shù)匦∮谠摰谝缓偷诙w管中的電流。這將以在第一和第二晶體管之間的跨導(dǎo)以及第三和第四晶體管之間的跨導(dǎo)產(chǎn)生一個(gè)給定的比例，并且該放大器增益具有相同的因數(shù)。
該第三和第四晶體管起一個(gè)電阻單元的作用，產(chǎn)生一個(gè)取決于其上所加電流的輸出電壓。
圖3的電路也包括一個(gè)反饋部分28，其包含一個(gè)第五NMOS晶體管30和一個(gè)第六PMOS晶體管32。第五NMOS晶體管30的柵極連接到終端34的控制電壓P1，其源極端連接到電路輸出終端22，而其漏極端連接到該電路輸入端14。第六PMOS晶體管32的柵極連接到終端34的控制電壓P2，其源極端連接連接到該電路輸入端14，而其漏極端到電路輸出終端22。
控制電壓P1、P2的選擇使得其偏置該第五和第六晶體管30、32工作在線性區(qū)域，其中以一個(gè)電阻的方式工作。該電壓P1和P2將是在電源電壓Vss到Vdd的范圍之內(nèi)。通常，P1將是在下式范圍中(Vdd+Vss)/2＜P1≤Vdd而P2將通常在下式范圍中Vss≤P2＜(Vdd+Vss)/2因此，控制電壓P1、P2通常分別高于和低于中間值電源電壓。
而且，這些裝置的有效電阻值能夠由所加的控制電壓所控制。但是，該電阻值將是足夠高的，使得該晶體管中沒有電流或僅有可以忽略的電流，意味著它們的兩端將沒有電壓降或僅有可以忽略的電壓降，并且輸入端14的直流電壓將被偏置到電路輸出端22的直流電平。即，電阻裝置30、32使得電流在輸出端22和輸入端14之間流動(dòng)，使得輸入端14將被充電，直到其電壓等于該輸出端22的電壓。這是該直流靜態(tài)工作點(diǎn)。加到該輸入端的信號(hào)將引起在輸入端14和輸出端22之間的電壓差，因此引起流經(jīng)裝置30、32的一個(gè)電流。
原則上，第五和第六晶體管30、32能夠由一個(gè)或多個(gè)電阻替代，但是在一個(gè)CMOS制造過(guò)程中不可能制造具有足夠精度的電阻，因此晶體管30、32是一個(gè)有益的選擇。而且，圖3的電路允許通過(guò)調(diào)整該控制電壓P1、P2來(lái)控制電阻的選擇。
在不需要調(diào)整輸入阻抗的情況下，也可能把該第五和第六晶體管柵極分別連接到該第一和第二電壓饋送線。因此能把該第五和第六晶體管的大小設(shè)計(jì)成提供所需要的放大器參數(shù)。
圖3的電路增益被表示成圖4所示的小信號(hào)模型。
在圖4中，Vo(gm24+gm26)+Vi(gm16+gm18)+(Vo-Vi)gm30＝0Vo(gm24+gm26+gm30)＝-Vi(gm16+gm18-gm30)因此，Av=VoVi=-(gm16+gm18-gm30gm24+gm26+gm30)]]>圖3電路的輸入電阻在圖5中示出。RIN=Rf1+AV]]>因此，RIN=1/gm301+Av]]>該輸入電阻可與電源阻抗(例如50Ω)匹配以便提供最佳的功率匹配。
但是從噪音的角度看，圖3電路的噪聲系數(shù)比圖1的噪聲系數(shù)低得多。
為了噪聲分析的目的，可以由圖6示出圖1的電路，其中RP是M16/18的輸入電阻(主要是柵極的合成電阻)。
該放大器的噪音能夠由圖7所示的NVA表示，產(chǎn)生由圖8表示的噪聲系數(shù)，其中該源電阻由Rs表示。V‾ni2=4KTRp·(Rs//Rp)2+4KTRs·(Rs//Rp)2]]>其中K是Boltzmann常量而T是溫度。通常，為了功率匹配，Rp＝Rs，因此V‾ni2=4KTRP·(RP2)2·2]]>Vni2＝2·KT·Rp并且該噪聲系數(shù)F等于F=(2.K.T.Rp+NVA)KTRp·AV2·AV2]]>F=2+NVAKTRp]]>因此，在圖1的電路中，F(xiàn)必須大于2。相比較，為了噪音計(jì)算的目的，圖3可以用圖9表示。輸入阻抗由反饋電阻Rf設(shè)置，其中 以便提供功率匹配。因此，該噪聲系數(shù)如圖10中給定。V‾ni2=4KTRs·(Rs2)2+4KTRf·(Rs2)2=KT(Rs+RsRf)2]]>因此，假設(shè)Rf≈Av.RsV‾in2=KT(Rs+RsAV)=KTR(1+1Av)]]>所以，噪聲系數(shù)表示為F=KTRs(1+1AV)+4KTRp+NVAKT·Rs]]>F=1+1AV+4RpRs+NVAKTRs]]>例如，如果Av是10，Rp是5Ω而Rs是50Ω，則，F(xiàn)＝1+0.1+(4×5)/50+NVA/KTRs＝1+0.5+NVA/KTRs＝1.5+NVA/KTRs根據(jù)圖1的電路，噪聲系數(shù)是NVA/KTRp，其中包含比Rp大十倍的Rs，因此噪聲系數(shù)值被降低。
例如，如果NVA＝K.T.25則圖1的噪聲系數(shù)＝2+(K.T.25/K.T.5)F＝7(8.4dB)圖3的噪聲系數(shù)＝1.5+(K.T.25/K.T.50)F＝2(3.0dB)因此如上所述，圖的3電路具比圖1電路有好得多的噪聲系數(shù)。
對(duì)于從電路輸入端到輸出端的任何增益值，反饋晶體管30、32的電阻值能夠被設(shè)置為該動(dòng)態(tài)輸入阻抗的任何給定期望值。能夠設(shè)計(jì)該晶體管參數(shù)，例如該裝置的規(guī)模，以便提供需要的放大器參數(shù)，比如增益和輸入阻抗。而且，能夠通過(guò)調(diào)節(jié)該柵壓來(lái)控制圖1電路的晶體管電阻。
圖3的電路示出在連接該輸出端到輸入端的該反饋環(huán)路中的第五和第六晶體管30、32。然而，根據(jù)需要的反饋電阻，有可能只提供一個(gè)這種晶體管。
而且作為一種選擇方案，可以去除第三和第四晶體管24、26之一，以及由一個(gè)電阻或電流源替代。
圖11示出根據(jù)本發(fā)明又一方面的可選實(shí)施例，其中可以消除第三和第四晶體管24、26，假如該反饋環(huán)路具有第五和第六晶體管30、32。在此情況中，該第五和第六晶體管30、32起輸出端22的一個(gè)負(fù)載的作用，并且限定該放大器的增益。它們還限定了圖5所示的輸入電阻。
圖12示出根據(jù)本發(fā)明第三方面的一個(gè)可選實(shí)施例，其中消除了圖3實(shí)施例中的第一和第三晶體管16和24，并且以連接在Vdd和輸出22之間的一個(gè)電阻34替代。另外，晶體管16、24能夠以一個(gè)電流源(沒示出)而不是電阻34所替代。
在根據(jù)本發(fā)明第四方面的一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例中，如圖13所示，圖3的第二和第四晶體管18和26被取消(即圖12的鏡像晶體管)，并且以一個(gè)電阻34所替代。如上所述，晶體管18、26還可以被一個(gè)電流源(沒示出)而不是電阻34所替代。
已經(jīng)參照使用CMOS技術(shù)的制造描述了該電路。但是，將認(rèn)識(shí)到，任何形式的場(chǎng)MOS裝置都可以使用在該電路中。
因此，該電路能夠起對(duì)于該輸出端具有最佳功率傳遞并具有低噪聲的一個(gè)放大器的作用。
而且，該電路可用于提供總輸入阻抗終端，例如被設(shè)計(jì)具有單位增益，或具有任何期望的增益，但是具有可被如上所述地控制的輸入阻抗。
權(quán)利要求
1.一種放大器電路，包括一個(gè)電路輸入端，和一個(gè)電路輸出端；連接在第一和第二電源電壓之間的一個(gè)反相器，并且具有連接到該電路輸入端的一個(gè)反相器輸入端和一個(gè)反相器輸出端，并且提供對(duì)應(yīng)于一個(gè)電路輸入電壓的一個(gè)反相器輸出電流；連接到該反相器輸出端和該電路輸出端的一個(gè)第一電阻單元，并且提供對(duì)應(yīng)于該反相器輸出電流的一個(gè)電壓輸出；和在電路輸出端和該電路輸入端之間提供一個(gè)反饋電阻的一個(gè)第二電阻單元，該反饋電阻可被調(diào)整，使得該放大器的動(dòng)態(tài)輸入阻抗能夠被設(shè)置為任何需要的值。
2.一種放大器電路，包括一個(gè)電路輸入端，和一個(gè)電路輸出端；連接在第一和第二電源電壓之間、由第一和第二MOS晶體管(16，18)組成的一個(gè)反相器，并且具有連接到該電路輸入端的一個(gè)反相器輸入端，和一個(gè)反相輸出端，并且提供對(duì)應(yīng)于一個(gè)電路輸入電壓的一個(gè)反相器輸出電流；第一電阻單元，包括至少一個(gè)第三MOS晶體管(24或26)，連接到反相器輸出端和電路輸出端，并且提供對(duì)應(yīng)于反相器輸出電流的電壓輸出；和第二電阻單元，包括至少一個(gè)第四MOS晶體管(30或32)，其漏極和源極端連接在該電路輸出端和輸入端之間，并且其柵極連接到一個(gè)電壓源以便其上加有一個(gè)電壓，使得該第四MOS晶體管操作在其線性區(qū)域中。
3.如權(quán)利要求2中要求的一個(gè)放大器電路，其中該第一電阻單元包括第三MOS晶體管(24)和第五MOS晶體管(26)，該第三和第五晶體管是相反的導(dǎo)電類型，并且每一個(gè)晶體管的柵極和漏極端連接到該反相器輸出端和該電路輸出端，并且其分別的源極端連接到該第一和第二電源電壓的分別之一。
4.如權(quán)利要求2或3中要求的放大器電路，其中該第二電阻單元包括第四MOS晶體管(30)和第六MOS晶體管(32)，該第四和第六晶體管是相反的導(dǎo)電類型，并且每一個(gè)具有連接在該電路輸出端和電路輸入端之間的漏極-源極路徑，并且其柵極連接到分別的電壓源。
5.一種放大器電路，包括一個(gè)電路輸入端，和一個(gè)電路輸出端；連接在第一和第二電源電壓之間、由第一和第二MOS晶體管(16，18)組成的一個(gè)反相器，并且具有連接到該電路輸入端的一個(gè)反相器輸入端，和一個(gè)反相器輸出端，并且提供對(duì)應(yīng)于一個(gè)電路輸入電壓的一個(gè)反相器輸出電流；和一個(gè)電阻單元，包括導(dǎo)電類型相反的第三和第四MOS晶體管(30，32)，每一個(gè)都具有連接在電路輸出端和電路輸入端之間的漏源極路徑，并且其柵極連接到一個(gè)各自電壓源，以便其上加有使得其操作在其線性區(qū)域中的一個(gè)電壓。
6.一種放大器電路，包括一個(gè)電路輸入端，和一個(gè)電路輸出端；一個(gè)反相器，由連接在該電路輸出端和一個(gè)第一電源電壓之間、并且具有連接到該電路輸入端的一個(gè)反相器輸入端的至少一個(gè)第一MOS晶體管(16或18)組成，以及一個(gè)反相輸出端，并且提供對(duì)應(yīng)于一個(gè)電路輸入電壓的一個(gè)反相器輸出電流；一個(gè)第一電阻的單元，由一個(gè)第二MOS晶體管(24或26)組成，其柵極和漏極連接到該反相器輸出端和該電路輸出端，并且其源極連接到該第一電源電壓，提供對(duì)應(yīng)于該反相器輸出電流的一個(gè)電壓輸出；一個(gè)第二電阻的單元，由第三和第四MOS晶體管(30，32)組成，該第三和第四晶體管的導(dǎo)電類型相反，并且每一晶體管具有連接在該電路輸出端和該電路輸入端之間的漏極-源極路徑，并且其柵極連接到各自的電壓源；和，連接在該電路輸出端和第二電源電壓之間的一個(gè)第三電阻單元。
7.如權(quán)利要求6中要求的放大器電路，其中該反相器包括連接在該第一和第二電源電壓之間的第一MOS晶體管(16或18)和第二MOS晶體管(16或18)。
8.如權(quán)利要求6或7中要求的放大器電路，其中該第三電阻單元是一個(gè)電阻。
9.如權(quán)利要求6或7中要求的放大器電路，其中該第三電阻單元是一個(gè)電流源。
10.如權(quán)利要求4到9任何之一的放大器電路，其中該分別的電壓源是可調(diào)的。
11.如權(quán)利要求4到9任何之一的放大器電路，其中該分別的電壓源是該第一和第二電源電壓。
12.如在先權(quán)利要求任何之一的放大器電路，其中該MOS晶體管是CMOS裝置。
全文摘要
一種放大器電路,包括一個(gè)電路輸入端(14)和一個(gè)電路輸出端(22)。一個(gè)反相器,連接在第一其第二電源電壓(Vdd,Vss)之間、由第一和第二MOS晶體管(16,18)組成的一個(gè)反相器,并且具有連接到該電路輸入端(14)的一個(gè)反相器輸入端,和一個(gè)反相器輸出端(20),并且提供對(duì)應(yīng)于一個(gè)電路輸入電壓的一個(gè)反相器輸出電流。第一電阻單元包括一個(gè)第三MOS晶體管(24)和一個(gè)第四MOS晶體管(26),該第三和第四晶體管的導(dǎo)電類型相反,并且每一個(gè)晶體管的柵極和漏極連接到該反相器輸出端(20)和該電路輸出端(22),并且其分別的源極連接到該第一和第二電源電壓(Vdd,Vss)的各個(gè)之一。第二電阻單元包括一個(gè)第五MOS晶體管(30)和第六MOS晶體管(32),該第五和第六晶體管的導(dǎo)電類型相反,并且每一個(gè)晶體管具有連接在該電路輸出端(22)和該電路輸入端(14)之間的漏極－源極路徑,并且其柵極連接到各個(gè)電壓源(34,36)。該放大器電路適于使用CMOS技術(shù)集成,并且適于使用在射頻環(huán)境中,同時(shí)提供良好噪聲指數(shù)性能。公開的可選實(shí)施例還可以是上述成份的各種組合。
文檔編號(hào)H03F3/30GK1369136SQ00811405
公開日2002年9月11日 申請(qǐng)日期2000年4月20日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月10日
發(fā)明者I·瓦特森 申請(qǐng)人:艾利森電話股份有限公司